一種銅鐵中間合金及其制備方法和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及有色金屬合金技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種銅鐵中間合金及其制備方法和 應(yīng)用，所制備的中間合金用于生產(chǎn)高性能銅鐵合金。
【背景技術(shù)】
[0002] 金屬材料有著廣泛的應(yīng)用范圍，但國內(nèi)外對銅鐵合金的報道卻極少，由金屬材料 學(xué)的知識可以預(yù)測到Cu-Fe合金的一些特點(diǎn)：（1)熔點(diǎn)應(yīng)高于Cu而低于Fe，若將其用做真 空電觸頭材料來替代Cu合金，則可改善其耐電弧燒蝕能力；（2)純銅和純鐵都具有良好的 延展性，因此Cu-Fe合金應(yīng)該也具備該性能；(3)用Fe替代部分Cu可以降低Cu材料的成 本；(4)具有電磁屏蔽效果。
[0003] 圖1所示為Cu-Fe二元合金相圖，初級固溶理論認(rèn)為：兩種元素的原子半徑及電化 學(xué)性質(zhì)越相似，則越容易形成固溶體，但Fe-Cu系卻是例外，它們的原子半徑幾乎相等，化 學(xué)親和力或電負(fù)性以及其他化學(xué)性質(zhì)都很類似，但在熔點(diǎn)以下的溶解度卻很小，室溫時幾 乎完全不互溶，300°C時溶解度仍然為零，1094°C時溶解度也只有5%左右。有研宄者采用液 態(tài)急冷法和熱蒸發(fā)法，固溶度最多擴(kuò)展到8%左右。Fe在Cu中的極低固溶度，嚴(yán)重限制了 Cu-Fe合金的應(yīng)用研宄。
[0004] 合金在冶煉過程中，一些元素是以中間合金的方式加入。利用中間合金加入的方 式，一方面可以減少合金元素的熔煉損耗，從而實(shí)現(xiàn)對合金化學(xué)成分的精確控制；另一方 面，在降低熔煉溫度的同時也縮短了熔煉時間，有利于提高熔煉設(shè)備的壽命，且節(jié)約能源。 另有研宄表明，中間合金的組成、結(jié)構(gòu)等因素也會對所制備合金的性能產(chǎn)生重要影響。
[0005] 因此，通過在生產(chǎn)Cu-Fe二元合金過程中采用特定的中間合金母料，以期改變所 制備Cu-Fe二元合金的固溶性，優(yōu)化其性能及拓展應(yīng)用范圍，成為一種新的研宄思路。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種銅鐵中間合金及其制備方法和應(yīng)用，所制備的銅鐵中 間合金中Fe元素含量為45~60wt %，合金成分均勾，采用該中間合金為母料制備CuFe系 列合金，合金中Fe含量高，且分布均勾、不偏析。
[0007] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：
[0008] 一種銅鐵中間合金，按重量百分含量計，該中間合金化學(xué)成分為：Fe45~60%，Ni 0. 20~0. 35%，RE>0, Cu為余量；其中：RE為稀土元素 La和Ce。
[0009] 該中間合金優(yōu)選的化學(xué)成分為：Fe 48~52%，Ni 0· 20~0· 30%，La〈0. 02%， Ce〈0. 04%，Cu 為余量。
[0010] 具有上述化學(xué)成分的銅鐵中間合金，按照如下步驟進(jìn)行制備：
[0011] (1)原料準(zhǔn)備：按重量百分含量計，原料中各兀素百分含量為：Fe 45~60%，Ni 0. 20~0. 35%，RE 0. 05~0. l%，Cu為余量；其中：RE為稀土元素 La和Ce ;優(yōu)選的原料配 比為：Fe 48 ~52%，Ni 0· 25 ~0· 30%，La 0· 02 ~0· 025%，Ce 0· 04 ~0· 045%，Cu 為 余量。
[0012] (2)真空感應(yīng)熔煉：
[0013] 按照原料中各元素比例配料，然后進(jìn)行真空感應(yīng)熔煉，熔煉過程中，真空度<8Pa， 精煉溫度控制在1300~1550 °C ;澆鑄獲得合金鑄錠；熔煉過程具體如下：
[0014] 將陰極銅、工業(yè)純鐵按配比裝入坩堝內(nèi)，爐內(nèi)抽真空后送電熔化，1300~1550°C 精煉20-30min ;加入Ni和CaF后再次精煉20-30min ;最后加入La和Ce，40~50秒后開始 帶電澆鑄。
[0015] (3)鑄錠銑面：
[0016] 用立式銑床去除鑄錠表面2_3mm厚的表層，其目的是除去雜質(zhì)含量高的部分，同 時利于后續(xù)加工；
[0017] (4)熱軋開坯：
[0018] 軋制溫度1000~1015°C，保溫90~100分鐘，乳制6-7個道次，熱軋至10~12mm， 然后冷加工至5~6mm ;
[0019] (5)熱軋開坯后的板材進(jìn)行清洗，然后剪切成所需規(guī)格的條狀銅鐵中間合金材料。 [0020] 上述步驟（2)中，所述陰極銅、工業(yè)純鐵和電解鎳表面使用前依次經(jīng)酸洗、水洗和 烘干處理，以保證所有原料清潔；所述酸洗是指：陰極銅采用濃度30vol. %的硫酸清洗，工 業(yè)純鐵采用濃度30vol. %的鹽酸清洗，電解鎳采用濃度40vol. %的硝酸清洗。
[0021] 上述步驟（5)中的清洗過程為：先用濃度30vol. %的硫酸洗去板材表面的氧化 皮，再用清水將表面的殘酸沖洗干凈。
[0022] 本發(fā)明銅鐵中間合金用于銅鐵系合金材料制備時的母料。
[0023] 本發(fā)明用于制備Cu-Fe系列合金的銅鐵中間合金設(shè)計原理如下：
[0024] 1、為生產(chǎn)Cu-Fe系列合金，首先制成CuFe中間合金母料。母料的優(yōu)點(diǎn)是可降低 Cu-Fe系列合金的熔點(diǎn)，減少Fe的氧化和燒損，并通過二次真空重熔，使Cu-Fe系列合金中 Fe的分布均勾、不偏析。
[0025] 2、為制成成分均勾的CuFe中間合金母料，同時加入特定配比的稀土元素 La(鑭） 和Ce (鈰）。
[0026] 3、稀土元素 La和Ce具有凈化、去雜作用，并在特定工藝條件下與其他元素協(xié)同作 用，從而充分細(xì)化Cu-Fe合金鑄態(tài)組織的晶粒，減少偏析的產(chǎn)生。
[0027] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及有益效果如下：
[0028] 1、本發(fā)明制備的銅鐵中間合金化學(xué)成分穩(wěn)定，鑄錠上、中、下成分均勻；
[0029] 2、本發(fā)明制備的銅鐵中間合金中Fe元素分布均勾、不偏析；
[0030] 3、本發(fā)明制備的銅鐵中間合金作為母料為后續(xù)生產(chǎn)Cu-Fe系列合金創(chuàng)造了條件。
【附圖說明】
[0031] 圖1為CuFe二元合金相圖。
[0032] 圖2為實(shí)施例1制備的CuFe中間合金金相微觀形貌圖。
[0033] 圖3為實(shí)施例1制備的CuFe合金鑄造狀態(tài)下金相微觀形貌圖。
[0034] 圖4為實(shí)施例1制備的CuFe合金鍛造狀態(tài)下金相微觀形貌圖。
[0035] 圖5為實(shí)施例1制備的CuFe合金拉伸至Φ8. 4mm時金相微觀形貌圖。
【具體實(shí)施方式】
[0036] 以下結(jié)合附圖及實(shí)施例詳述本發(fā)明。
[0037] 本發(fā)明銅鐵中間合金作為Cu-Fe系合金制備用的母料，該中間合金的制備過程為 該中間合金的制備過程為：原料準(zhǔn)備一配料一真空熔煉一母料成分分析一鑄錠銑面一熱軋 -酸洗、水洗一剪切；以下實(shí)施例按照如下步驟制備：
[0038] (1)原料準(zhǔn)備
[0039] 原料中各元素配比為（wt. % ) :Fe 45 ~60%，Ni 0· 20 ~0· 35%，RE 0· 05 ~ 0. 1%，Cu為余量；其中：RE為稀土元素 La和Ce ;優(yōu)選的原料配比為：Fe 48~52%，Ni 0.25 ~0.30%，La 0.02 ~0.025%，Ce 0.04 ~0.045%，Cu 為余量。
[0040] (2)配料：按原料中各元素配比準(zhǔn)確稱重。將陰極銅、工業(yè)純鐵、電解鎳表面經(jīng)酸 洗、水洗、烘干處理，確保所有原料清潔。酸洗過程為：陰極銅采用濃度30vol. %的硫酸清 洗，工業(yè)純鐵采用濃度30vol. %的鹽酸清洗，電解鎳采用濃度40vol. %的硝酸清洗。
[0041] ⑶真空熔煉
[0042] 將陰極銅、工業(yè)純鐵裝入坩堝內(nèi)，電解鎳和CaF裝入加料斗內(nèi)，稀土元素 La和Ce 裝入加料器內(nèi)；封爐抽真空，真空度< 8Pa(即6X10_2mmHg);送電熔化后精煉25min，然后 Ni和CaF再次精煉25min，最后加入La和Ce，45秒后開始帶電澆鑄，獲得合金鑄錠。真空 熔煉采用的真空感應(yīng)電爐型號：ZG-0. 025 ;精煉溫度控制在1300~1550°C。
[0043] (4)母料成分分析
[0044] 采用氟化氫銨遮蔽Fe，然后用化學(xué)滴定檢測母料鑄錠上、下Cu的含量，精準(zhǔn)確定 母料中Cu、Fe成分對下一步CuFe系合金的生產(chǎn)十分重要。
[0045] (5)鑄錠銑面
[0046] 用立式銑床去除錠表面雜質(zhì)含量高的部分（去除2mm厚度表層），同時利于后續(xù)加 工。
[0047] (6)熱軋開坯
[0048] 電爐加熱：溫度10KTC，保溫90~100分鐘，熱軋至12mm，冷加工至5~6mm。所 用設(shè)備：Φ 250 X 450二輥熱軋機(jī)。
[0049] (7)酸洗、水洗：用硫酸（30vol. % )洗去母料表面的氧化皮并用清水將表面的殘 酸沖洗干凈。
[0050] (8)剪切：將母料板材剪切成相應(yīng)的長條作為中間合金待用。
[0051] 將上述制備的條狀中間合金作為所需制備的高延展性銅鐵合金的母料，用于制備 高延展性銅鐵合金的過程如下：
[0052] (1)原料準(zhǔn)備及配料
[0053] 將陰極銅和條狀中間合金母料表面依次經(jīng)酸洗、水洗和烘干處理，確保所有原料 清潔，所述酸洗是指：陰極銅采用濃度30vol. %的硫酸清洗，工業(yè)純鐵采用濃度30vol. % 的鹽酸清洗，電解鎳采用濃度40vol. %的硝酸清洗；
[0054] 所要制備的高延展性銅鐵合金化學(xué)成分為（wt. % ) :Fe為4. 0~8. 0%，余量為 Cu及不可避免的雜質(zhì)；優(yōu)選的化學(xué)成分為（wt. % ) :Fe為4. 8~5. 8 %，余量為Cu及不可 避免的雜質(zhì)；合金中：C彡0· 03%，S彡0· 01%，P彡0· 01%。
[0055] 將清洗后的原料按所需合金配比準(zhǔn)確稱重；所述中間合金母料作為所需制備高延 展性銅鐵合金中鐵元素和部分銅元素的來源，所述陰極銅作為剩余部分銅元素的來源；
[0056] (2)真空熔煉
[0057] 真空熔煉過程中：精煉溫度控制在1200~1500 °C ;真空度彡2Pa (即 I. 5X 10_2mmHg);真空熔煉所用設(shè)備：ZG-0. 025真空感應(yīng)電爐，熔煉過程為：
[0058] 將陰極銅、條狀中間合金母料裝入坩堝內(nèi)，CaF裝入加料斗內(nèi)，封爐抽真空，送電熔 化后精煉20min，然后加入CaF，再次精煉20min，再在爐內(nèi)充入惰性氣體Ar后開始帶電澆 鑄，即獲得所述高延展性銅鐵合金鑄錠。
[0059] (3)采用等離子體原子發(fā)射光譜儀（ICP-1000)檢測所制備的銅鐵合金鑄錠上、 中、下Fe的成分。
[0060] 將所制備的高延展性銅鐵合金（鑄錠）進(jìn)一步加工成絲材，過程包括如下步驟：
[0061] (1)合金鑄錠車光：
[0062] 將成分合格的銅鐵合金鑄錠在CA6140車床上表面車光。
[0063] (2)熱鍛及鍛后車光：
[0064] 在750Kg空氣錘上自由鍛造，電爐加熱溫度860°C，保溫90分鐘后，進(jìn)行兩鐓兩拔 后鍛至Φ45ι?πι棒材；然后車光至Φ42ι?πι棒材。
[0065] (3)熱軋制